钛酸钡/聚合物复合电介质中纳米填料的空间分布与取向调控及储能性能研究

Dielectric nanocomposites by integration of high breakdown strength polymer matrix and high dielectric constant ceramic fillers have shown great potential for dielectric and energy storage applications in modern electronic and electrical systems. The incorporation of ceramic nanofillers effectively leads to enhancement of dielectric constant in nanocomposites, however, the dielectric enhancement is always achieved at substantially decreased breakdown strength. This paradox between dielectric constant and breakdown strength has become the main bottleneck for elevating the energy density of dielectric nanocomposites. In this project, we propose an approach to fabricate microstrured artificial dielectric nanocomposites by precisely controlling the spatial distribution and orientation of BaTiO3 nanospheres and nanofibers in PVDF-based polymer matrix. Concurrent enhancement of dielectric constant and breakdown strenght are expected to be achieved in these microstructred nanocomposites, which finally leads to much elevated energy density. The effects of the nanofillers spatial distribution and orientation structures on the dielectric, electrical, mechanical and energy storage properties will be investegated. Phase filed simulation method is to be employed to demonstrate the interaction mechanism between the spatial microstructures and resultant propertiels of nanocomposites, based on which, the distribution and orientation structure of nanofillers will be optimised to achieve higher energy density in dielectric nanocomposites.

陶瓷/聚合物纳米复合电介质兼具了聚合物材料的高击穿场强、柔性、易加工等特点以及陶瓷材料的高介电性能，成为发展高储能密度介电材料的研究热点。然而向聚合物内添加陶瓷纳米粒子虽能显著提高复合电介质的介电常数，却同时严重降低了其击穿场强，这一制约关系是困扰陶瓷/聚合物复合电介质储能密度提高的主要技术难题。本项目拟采用钛酸钡纳米颗粒与纳米纤维作为介电增强填料，以及聚偏氟乙烯基聚合物作为基体来制备介电复合薄膜材料。在单元颗粒填充、单元纤维填充、二元颗粒/纤维共填充的复合体系中，通过精准调控不同维度钛酸钡纳米填料在聚合物基体中的三维空间分布与取向，实现复合材料介电常数与击穿场强的协同增强，进而大幅提升其储能密度。在复合材料微观结构以及性能表征基础上，结合介观尺度的相场模拟方法，研究纳米填料空间分布与取向结构对复合材料介电与储能性能的影响规律，建立显微结构与材料性能之间的关联，指导纳米填料复合结构优化。

陶瓷/聚合物纳米复合电介质兼具了聚合物材料的高击穿场强、柔性、易加工等特点以及陶瓷材料的高介电性能，成为发展高储能密度介电材料的研究热点。然而向聚合物内添加陶瓷纳米粒子虽能显著提高复合电介质的介电常数，却同时严重降低了其击穿场强，这一制约关系是困扰陶瓷/聚合物复合电介质储能密度提高的主要技术难题。本项目采用钛酸钡纳米颗粒为介电增强填料，以及聚偏氟乙烯基聚合物作为基体来制备介电复合薄膜材料并对复合材料的空间结构进行了精细调控。首先发展了一种“溶液共混-静电喷涂层积-滚筒收集-热处理”工艺流程来实现BaTiO3陶瓷纳米粒子空间分布结构的精细调控，在此基础上通过设计BaTiO3纳米颗粒在聚合物基体中的空间梯度分布结构有效提升了聚合物纳米复合材料的击穿场强与储能密度。同时在微观层次上利用相场模拟方法研究了纳米填料空间分布结构对复合材料介电与储能性能的影响机制。此外，对影响复合材料储能性能的聚合物基体铁电特性进行了调控，通过共混获得了具有反铁电特性的聚偏氟乙烯聚合物材料，进一步提升了材料的储能性能。项目研究成果在Advanced Functional Materials，Science China Materials，APL Materials等材料领域高水平期刊发表SCI论文6篇；申请国家发明专利2项；在该青年基金的研究基础上，申请人后续相继获批承担国家自然科学基金面上项目1项、科技部国家重点研发计划课题1项；在青年基金项目支持期间，项目负责人相继入选“湖北省楚天学子”以及“中国科协青年人才托举工程”两项人才计划。